Rückgewinnung von Bremsenergie bei Schienenverkehrsmitteln (Teil II) von Hans Streiff, SEAK, Dipl. El.-Ing. ETHZ, Nussbaumen |
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| Grundsätzliches zur
Rückgewinnung von Bremsenergie Historische Entwicklung Literaturhinweis Literaturverzeichnis Anmerkungen
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Erweiterte Aufgaben für die Netzbremse im Rahmen der "Bahn 2000" und der NEAT |
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Anders ist die Situation in der Gegenwart und in Zukunft ! Die weitere Optimierung des Energieverbrauchs und Senkung des Belastungsspitzen der netzseitigen Energieversorgung unter verstärkter Ausnützung der Netzbremse stehen im Vordergrund ! Die Leistungselektronik macht es möglich. Dabei bestehen bemerkenswerte Systemunterschiede, je nachdem ob ein Nahverkehrsmittel oder eine Vollbahn in Betracht fällt. Mit Gleichstrom betriebene Nahverkehrsbahnen und Trolleybusse bilden abgeschlossene Netze, die sich aus übergeordneten Drehstrom-Verbundnetzen selektiv über einfache Gleichrichter-Unterwerke bei Netzspannungen von 600 ... 1500 Volt versorgen. Um die Energierückgabe bei schwach belastetem Streckennetz -- beispielsweise in den Tagesrandstunden -- jederzeit sicherzustellen, müssten jene für relativ geringe Energieanteile durch aufwendigere Wechselrichter für Gleichstrom-Drehstrom-Umwandlung wie einst die Unterwerke der Gleichstrombahnen in den 1930-er Jahren ergänzt werden. Sogenannte Doppelbremssteller in der Fahrzeugausrüstung -- wie der Antriebs-Stromrichter ebenfalls mit GTO-Thyristoren oder IGBT-Transistoren bestückt -- prüfen 400 mal pro Sekunde die Aufnahmefähigkeit des Netzes. Sie geben bei Netzspannungsanstieg mangels Energieaufnahme durch andere Züge auf jedem bremsendem Triebfahrzeug vorübergehend einen Bremswiderstand zur Energieumsetzung frei. Nebst der Ergänzung von "konventionellen" schützegesteuerten Gleichstromantrieben mit Gleichstrom-Kollektor-Fahrmotoren Anmerkung lässt sich dieses Prinzip sowohl beim Fahrzeugantrieb mit Gleichstromstellern und Mischstrom-Kollektor-Fahrmotoren Anmerkung als auch mit dreiphasigen Antriebs-Wechselrichtern für direkte Anspeisung aus dem Netz und Asynchron-Fahrmotoren Anmerkung anwenden. Vollbahnen mit Einphasenwechselstrombetrieb beziehen ihre Energie aus grossräumigen Verbundnetzen, selbst wenn diese unabhängige Bahnnetze bei einer Frequenz von 16,7 Hertz mit europaweiter Netzkupplung bilden. Anmerkung Die Energierückgabe ist praktisch immer sichergestellt; die für hohe Fahrgeschwindigkeiten ausgelegten Fahrleitungs- und Stromabnehmer-Systeme gewährleisten eine sehr zuverlässige Energieübertragung zwischen Fahrzeug und Netz. Bremswiderstände erübrigen sich. Selbst auf Bahnen mit Zahnstangen-Abschnitten, wo früher netzunabhängige dynamische Bremsen vorgeschrieben waren, reicht heute die Netzbremse -- verbunden mit sicherheitsmässig besonders ausgelegten Rad-Klotz- und Zahnrad-Band-Bremsen im Zug für Ausnahmefälle -- aus. Bei Vollbahnen mit schweren Zügen verlangt aber ein anderes Problem Beachtung. Beim "Auflaufen" des Wagenzuges auf die Lokomotive an der Zugspitze während Talfahrten entstehen hohe Pufferdrücke und bei engen Kurven je nach Schmierzustand unerwünschte Querkräfte zwischen den Pufferflächen. Einer der sehr seltenen Netzspannungsausfälle oder ein gelegentliches Stromabnehmerabspringen von der Fahrleitung kann eine Schnellabschaltung der Netzbremse herbeiführen, was unerwünschte Längsreaktionen im Zug -- im Extremfall mit Kupplungsbruch oder Entgleisung leichterer Fahrzeuge -- nach sich ziehen kann. Eine Begrenzung der maximal zulässigen Bremskraft der dynamischen Bremse bei einer mässigen Unterstützung durch die mechanische, druckluftgesteuerte Zugsbremse drängt sich auf. Besondere Vorsicht ist diesbezüglich bei Meterspurbahnen mit Zentralpuffer und Schraubenkupplungen am Platz (z.B. RhB, FO usw.), um Querverschiebungen der vorderen Wagen eines Zuges unter starkem Pufferdruck auf kurvenreichen Strecken zu vermeiden. Vorteilhafter ist die Zugsbildung mit automatischen Zug-/Druckkupplungen (wie Triebwagen-Pendelzüge der FO, Berner Oberland-Bahnen (BOB), Brünigstrecke der SBB usw.). Eine bessere Ausnützung der Netzbremse ist bei Triebzügen oder Triebwagen-Pendelzügen erreichbar, die im allgemeinen aus wenigen Fahrzeugen bestehen und oft in Zwillings- oder Drillings-Formationen mit verteilter Einreihung der dynamischen Bremsen verkehren. Der Wechselstrom-Netzbremsbetrieb fand nach Ablösung des Direktmotorantriebes Eingang bei den nachfolgenden Triebfahrzeug-Serien mit Stromrichterantrieb. Zunächst entstand der Gleich-/Wechselrichterantrieb mit Phasenanschnitt-Steuerung in vierstufiger, mit Netzthyristoren voll bestückten Sparschaltung und mit gemischterregten Mischstrom-Kollektorfahrmotoren, der einen sicheren Netzbremsbetrieb gestattet. Literaturhinweis Damit verkehren die 126 Pendelzugs-Triebwagen RBDe 560 0 / 560 1 / 562 der Nahverkehrs-Pendelzüge (NPZ) der SBB und die 10 gleichartigen RBDe 568 / 566 6 / 566 4 der Chemin de fer de la Vallée du Joux Pont - Brassus (PBr), der Mittelthurgau-Bahn (MThB) und der SOB. Ferner sind die total 22 Zahnrad-/Adhäsions-Mehrzwecklokomotiven HGe 101 der SBB/Brünigstrecke, sowie HGe 4/4 II der FO und der BVZ mit der prinzipiell gleichen Netzbremse ausgerüstet. Wie beim Direktmotorantrieb ist auch bei der Stromrichter-Netzbremsung bei Phasenanschnittsteuerung eine zusätzliche Belastung des Fahrleitungsnetzes durch Blindleistung in Kauf zu nehmen. Eine zahlenmässig viel stärkere Verbreitung der leistungsfähigen Netzbremse löste der Drehstromantrieb mit Asynchron-Fahrmotoren aus. Der mit GTO-Thyristoren oder IGBT-Transistoren bestückte Umrichter mit Pulswechselrichtern sowohl auf der Netzseite (Einphasen-Netzwechselrichter oder Vierquadrantensteller) als auch auf der Antriebsseite (Dreiphasen- Antriebswechselrichter) und mit dem universell anwendbaren Gleichspannungs-Zwischenkreis erlaubt theoretisch, die volle Fahrmotor-Leistung sowohl bei Fahrbetrieb als auch bei Netzbremsbetrieb umzusetzen. Einer der entscheidenden Vorteile liegt in der völligen Befreiung des Fahrleitungsnetzes vor zusätzlichen Blindstrombelastungen (Leistungsfaktor cos phi ungefähr = 1). Der Drehstromantrieb bringt damit bezüglich Umweltbelastung eine optimale Ausnützung der Netzbremsung, sowohl auf stark belasteten Hauptbahnstrecken als auch auf S-Bahn-Netzen mit örtlich und zeitlich gedrängten Fahrprogrammen. Den ersten mit GTO-Thyristoren ausgerüsteten Umrichter-Mehrzweck-Lokomotiven Re 456 der BT, der Sihltal - Zürich - Üetliberg-Bahn (SZU) und den Vereingten Huttwil-Bahnen (VHB, heute: Regionalverkehr Mittelland, RM) folgte die grosse Serie der elektrisch gleich konzipierten Pendelzug-Lokomotiven Re 450 der SBB für die Doppelstockzüge der S-Bahn Zürich. Die S-Bahn Zürich ist ein Paradebeispiel für die Effizienz der Netzbremsung bei Umrichtertriebfahrzeugen. Dank der Entlastung der Fahrleitungsnetzes von Blindstrombezügen im Grossraum von Zürich lassen sich die Leistungsspitzen durch den S-Bahn-Verkehr mit tragbaren Investitionen in die Energieversorgung bewältigen. Ganz generell zählen schliesslich alle Triebfahrzeuge nach dem von der Schweizer Fahrzeugindustrie entwickelten Konzept "Lokomotive 2000" dazu. Anmerkung Die grundsätzlich gleichen Netzbrems-Einsätze sind auch bei stark belasteten Vollbahnen mit Gleichstrombetrieb möglich. Wie bei Nahverkehrs-Triebfahrzeugen mit Drehstromantrieb bildet das Fahrleitungsnetz den Gleichspannungs-Zwischenkreis. Die Eigenschaften der GTO-Thyristoren erlauben auch hier, die volle Toleranzbreite der Netzspannung aufzufangen, sodass sich die Umrichteranlage auf den dreiphasigen Antriebswechselrichter beschränkt. Trotz der Beschränkung auf einige wenige Gleichstromnetze sind universell verwendbare Triebfahrzeuge für den anspruchsvollen Reise- und Güterverkehr auf meterspurigen Gebirgsstrecken entstanden. Anmerkung Welche Energieersparnis ist durch die Netzbremse bei Triebfahrzeugen mit Stromrichtersteuerung zu erwarten ? Davon ausgehend, dass die Verluste zur Ueberwindung des Traktionswiderstandes auch beim Bremsen negativ in die Energiebilanz eingehen, sind unter idealen Verhältnissen bei alleinfahrenden Triebwagen oder leichten Triebwagen-Züge Werte von 40 ... 70 % erreichbar. Im schweren Güterzugsverkehr auf normalspurigen gebirgigen Steilrampen gilt nach bisherigen Regeln etwa, dass drei talwärts fahrende Züge den Energiebedarf eines bergwärts fahrenden Zuges durch die Energierückgewinnung bei Netzbremsung abdecken können. Dieses Verhältnis berücksichtigt die Vorgabe, dass ein bergwärts durch ein Schiebetriebfahrzeug nachgeschobener Güterzug lastbedingt auf der anschliessenden Talfahrt zur Unterstützung der Netzbremse zeitweise mit der mechanischen Reibungsbremse beherrscht werden muss. Gebräuchlich ist dabei "Bremsen nach der Sägezahnmethode", das heisst wiederholtes Herunterbremsen des Zuges auf ca 80 % der zulässigen Streckengeschwindigkeit, dann bei gelösten Reibungsbremsen bis Erreichen dieser Geschwindigkeit beschleunigen lassen; in dieser Phase begrenzt die voll wirksame dynamische Bremse die Beschleunigung, sodass die erwärmten Bremsklötze und Radreifen Zeit zur Abkühlung haben. Die jüngste Praxis, talwärts fahrende Güterzüge mit der durchlaufenden Schiebelokomotive vom Zugschluss her dynamisch abzubremsen, bringen zusätzliche Anteile an Rückgewinnungsenergie. Durch die volle Netzbremsbelastung der "nachlaufenden" Lokomotive bleibt die mechanische Reibungsbremse normalerweise unbenützt. Voraussetzung ist allerdings eine einwandfreie Verständigung zwischen den beiden Lokomotiven an der Zugspitze und am Zugschluss, wenn nicht gar eine Fernsteuerung der nachlaufenden Lokomotive möglich ist. |
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 Foto: ABB Archiv |
Bergwärts fahrender Blockgüterzug der SBB auf der Gotthard-Nordrampe mit Re 4/4 II und Re 6/6 in Vielfachsteuerung an der Zugspitze ("Re 10/10") und schiebende Re 4/4 II am Zugschluss mit Wechselstromantrieb für Betrieb mit Einphasenwechselstrom von 15 Kilovolt bei 16 2/3 Hertz. Auf der anschliessenden Talfahrt auf der Gotthard-Südrampe mit einem Gefälle von maximal 27o/oo kann die "Zwillingseinheit Re 10/10" ca 70 % der vorliegenden Masse der Anhängelast dynamisch mit der Netzbremse in Beharrung halten (ohne nachlaufende Schiebelokomotive zum Bremsen), die für den Rest durch die druckluftgesteuerte Reibungsbremse zu unterstützen ist. |
Aktuelle Beispiele für die Beförderung schwerer Güterzüge auf Alpentransversalen mit weitgehender Anwendung der dynamischen Netzbremse auf den längeren Talfahrten sind die Huckepack-Autotransportzüge für die Beförderung von Lastkraftwagen und die Blockzüge für den Tonerde-Transport. Die Huckepack-Züge verkehren einstweilen auf der Gotthardstrecke der SBB, in absehbarer Zeit -- nach abgeschlossenem Ausbau der gesamten Strecke -- auch auf der Lötschberg - Simplon-Strecke der BLS und SBB. Wegen der besonderen Laufwerke für die tiefliegende Anordnung der Ladefläche ist dauernd nur eine mässige Beanspruchung der Reibungsbremsen auf Talfahrten zulässig. Die dynamische Netzbremsung der Anhängelast mit dem höchstzulässigen Bremsstrom Anmerkung ist zwangsläufig. Durch das Verladen der Strassentransportmittel sind diese indirekt an der Rückgewinnung der Bremsenergie ebenfalls beteiligt; bei der Talfahrt auf der Autobahn würde sich die Bremsenergie demgegenüber in Wärme umsetzen ... Auch die rund 3200 t schweren Blockzüge für den Tonerdetransport aus der Gegend von Limburg (Lahn) über Domodossola nach verschiedenen Bestimmungsorten in Italien mit Keramikindustrie befahren den BLS-Streckenabschnitt Kandersteg - Lötschbergtunnel - Goppenstein - Brig (mit Gefälle von 27 o/oo zwischen Goppenstein und Hohtenn und 22...24 o/oo zwischen Hohtenn und Brig) und den SBB-Streckenabschnitt Brig - Simplontunnel - Iselle di Trasquera - Domodossola (mit Gefälle von 25 o/oo zwischen Iselle di Trasquera - Domodossola) in einer Formation, die auf maximale Energeirückgewinnung ausgerichtet ist. Literaturhinweis Zwei am Zugschluss und eine an der Zugspitze eingereihte Lokomotiven Re 465 üben die volle Bremskraft von total 780 kN aus und sind in der Lage, bei normalen Adhäsionsverhältnissen den ganzen Zug allein mit der Netzbremse in Beharrung zu halten. Da durch die zwei "nachlaufenden" Lokomotiven der Zug weitgehend gestreckt bleibt, treten im vorderen Zugsteil keine unzulässigen Pufferdruckkräfte auf. Zu den bekannten Vorteilen des Energierückgewinnes und der thermischen und verschleissmässigen Schonung der Radsätze und der Reibungsbremsen gesellt sich der Fahrzeitgewinn durch die höhere mittlere Reisegeschwindigkeit, nachdem sich das Bremsverfahren nach "Sägezahnmethode" erübrigt. Güterzüge weisen -- von wenigen Huckepack-Formationen abgesehen -- keine Vielfachsteuerleitungen auf. Ein weiterer Rationalisierungseffekt könnte dereinst die Vielfachsteuerung der "nachlaufenden" mit der führenden Lokomotive an der Zugspitze sein, sofern die gegenwärtigen Versuche auf der Gotthardstrecke mit Funkfernsteuerung erfolgreich verlaufen. Auch bei den schnellfahrenden IC-Reisezügen, die als Pendelzüge aus Wagenmaterial des Types EW IV oder IC-2000 (Doppelstockwagen) formiert sind und durch Mehrzweck-Lokomotiven Re 460 oder Re 465 gezogen oder geschoben sind, wird für Verzögerungsbremsungen die Netzbremse so weit wie möglich beigezogen. Als Besonderheit in der Bedienung der ausschliesslich eingeteilten Re 460 der SBB und Re 465 der BLS ist festzuhalten, dass die Einleitung einer mechanischen Bremsung im Zug durch Betätigung der pneumatischen Bremssteuerelemente bevorzugt auch das gleichzeitige Aufsteuern der Netzbremse zur Folge hat.
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| Literaturverzeichnis | |
Für weitere Einzelheiten der in der nachstehenden Aufstellung erwähnten Triebfahrzeuge sei auf folgendes Handbuch hingewiesen: Karlheinz Hartung: Rüegg, R., Zürich: Gerber, P., Bern:
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Anmerkungen |
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Diese kombinierte Netz-/Widerstands-Bremseinrichtung ist beispielsweise
bei folgenden Triebfahrzeugen für Gleichstrombetrieb mit schützegesteuertem
Gleichstromantrieb und Gleichstrom-Kollektorfahrmotoren vorhanden:
Diese kombinierte
Netz-/Widerstands-Bremseinrichtung ist beispielsweise bei
Diese kombinierte Netz-/Widerstands-Bremseinrichtung ist beispielsweise bei folgenden Triebfahrzeugen für Gleichstrombetrieb und Drehstromantrieb mit Asynchron-Kurzschlussläuferfahrmotoren vorhanden:
Der Erhöhung der Frequenz von
16 2/3 auf 16,7 Hertz steht im Zusammenhang mit statischen Eine Auswahl von Triebfahrzeugen nach dem Konzept "Lokomotive 2000":
Diese kombinierte Netz-/Widerstands-Bremseinrichtung ist beispielsweise bei folgenden Triebfahrzeugen für Gleichstrombetrieb und Drehstromantrieb mit Asynchron-Kurzschlussläuferfahrmotoren vorhanden:
Laut Anhang FDR
Ausführungsbestimmungen vom 28.März 1999 kommen dafür nur die SBB- |
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© 1999 by Hans Streiff/SEAK, CH-Nussbaumen |
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